基于PSA技術(shù)的GEP泵隨速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

許炳照，張榮貴

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院汽車運用工程系，福建福州350007)

基于PSA技術(shù)的GEP泵隨速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

許炳照，張榮貴

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院汽車運用工程系，福建福州350007)

為了驗證電液控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)特性，介紹了一種基于PSA技術(shù)的GEP泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行原理的基礎(chǔ)上，借助實驗儀器和軟件，對GEP動態(tài)數(shù)據(jù)和輸出波形進行測量，結(jié)果揭示了國外電液控制助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略，這對國內(nèi)研發(fā)人員應(yīng)用該項新技術(shù)具有一定的借鑒意義。

GEP泵；電液控制；助力轉(zhuǎn)向；特性分析

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由直流電機替代發(fā)動機皮帶直接驅(qū)動液壓泵工作，并增加了控制單元，以及方向盤轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、車速和溫度等傳感器，對直流電機進行實時控制，從而獲得了更好的液壓助力轉(zhuǎn)向控制性能。目前，法國PSA(標(biāo)致雪鐵龍集團，下同)集團生產(chǎn)的中高級轎車上應(yīng)用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要類型有GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)和電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)。國內(nèi)神龍汽車有限公司(法國PSA集團合資企業(yè))的GEP泵隨速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的市場應(yīng)用主要有兩種類型：一種是帶轉(zhuǎn)換閥的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，依靠一套電子控制裝置調(diào)整助力大小，即作用在轉(zhuǎn)向橋上的力的大小可根據(jù)車速和方向盤轉(zhuǎn)速的變化而調(diào)整[1]150；另一種是帶泄流泵的可變助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，通過助力泵內(nèi)部自動調(diào)節(jié)助力油的流量來調(diào)整助力的大小，以前者為標(biāo)配應(yīng)用[1]133。在國內(nèi)，GEP泵隨速助力轉(zhuǎn)向技術(shù)在硬件設(shè)計上基本成熟，軟件的運行策略仍處于不斷完善和改進階段，市場應(yīng)用有很大的潛力。因此，對GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)的特性進行試驗研究，揭示其內(nèi)在的運行策略，對于研發(fā)人員具有現(xiàn)實的借鑒意義。

1 GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)概述

1.1 GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)的組成

PSA集團生產(chǎn)的中高級轎車上所配置的GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)如圖1所示，它在常規(guī)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)基礎(chǔ)上，增加驅(qū)動電機、齒輪泵、GEP泵電腦以及各種傳感器和通訊接口[1]140，集機、電、液于一體。GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)與動力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的區(qū)別是：GEP泵不由發(fā)動機通過皮帶來驅(qū)動，而是由直流電機帶動油泵，只在需要轉(zhuǎn)向助力時才工作，這樣降低了發(fā)動機的內(nèi)部功率損失。傳統(tǒng)的助力轉(zhuǎn)向泵是由發(fā)動機通過皮帶直接驅(qū)動的，液力油的流量與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比。

圖1 GEP泵電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成示意圖

使用GEP泵有以下特點：

1)發(fā)動機由怠速升速后，可以節(jié)約“泵套”中的多余流量。這時泵套的大小由保證怠速時的流量確定，當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)高出怠速時，額外的流量直接供給齒輪泵的吸入側(cè)。

2)按照轉(zhuǎn)向助力的要求，保持流量處于最佳狀態(tài)。GEP泵在待機狀態(tài)下正常運行，在操縱方向盤時，增加的流量恰好等于助力要求的流量。這樣發(fā)動機每百公里可節(jié)約油耗0.1～0.2 L。

3)當(dāng)發(fā)動機熄火后，GEP泵仍然保持助力功能。如果發(fā)動機不工作，打開IG開關(guān)后推車，GEP泵起動并提供助力。當(dāng)GEP泵發(fā)生故障后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入手動模式。車速或方向盤速度不足時，GEP泵電腦取車速或方向盤速度不足的近似值實施助力。

1.2 GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)的運行原理

GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)運行原理見圖2[1]9。GEP泵電腦接收車速、轉(zhuǎn)向、發(fā)電機動態(tài)和電機溫度傳感器等信息，按照預(yù)先設(shè)計的助力特性，經(jīng)計算、分析、判斷后向驅(qū)動電動機發(fā)出動作指令，通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速以控制GEP泵的流量，再通過轉(zhuǎn)換閥控制助力缸動作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力控制，使其與車速和方向盤上的輸入角速度相協(xié)調(diào)。GEP泵電腦通過CAN網(wǎng)絡(luò)進行信息交換，從而獲得系統(tǒng)實時的通信[5]。

圖2 GEP泵可變液壓助力系統(tǒng)的運行原理示意圖

2 GEP泵輸出特性的影響要素分析

GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)的組件可以分解為機械機構(gòu)、液壓回路和電子控制元件三個子部分。為了方便分析，先分別對三個獨立的子系統(tǒng)進行分析，然后再組裝起來形成一個完整的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并對助力系統(tǒng)的輸出特性的影響因素進行表述分析。

1)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速的影響因素分析。根據(jù)電機的選擇和匹配要求，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速可表示為：

式中：N表示驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，等于GEP泵轉(zhuǎn)速；PN表示電機銘牌給出的額定功率；TN表示電機的額定轉(zhuǎn)矩；Um表示電機輸入電壓；Im表示電機起動電流；Rm表示電機電樞回路總電阻,C0表示電機電勢常數(shù)，φ表示電機每極磁通量。

2)GEP泵及轉(zhuǎn)向閥油流量的影響因素。當(dāng)GEP泵轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時，由于液力傳動油的可壓縮性很小，且在助力穩(wěn)定工況下，排除助力系統(tǒng)泄漏影響因素，可以認為GEP泵輸出的油液全部進入轉(zhuǎn)向閥，那么：

式中：Qin表示轉(zhuǎn)向閥進油量；QGEP表示GEP泵出油流量；q表示齒輪泵排量；nb表示液壓泵轉(zhuǎn)速；Kp表示齒輪泵泄漏系數(shù)；Pout表示GEP泵的輸出油壓。

3)GEP泵系統(tǒng)助力矩的影響因素[5]。由于GEP泵系統(tǒng)油液的壓縮性很小，根據(jù)對油泵的選配設(shè)計，GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)的助力矩公式可表達為：

式中：TGEP表示GEP泵轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力矩；Km表示驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)；q表示齒輪泵排量；N表示驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速；Tp表示齒輪泵輸出轉(zhuǎn)矩；Kp表示齒輪泵泄漏系數(shù)；KT表示齒輪泵轉(zhuǎn)矩系數(shù)；KS表示轉(zhuǎn)向軸扭桿系數(shù)；Tout表示轉(zhuǎn)向軸輸出轉(zhuǎn)矩；μ表示輪胎與路面間摩擦因數(shù)。對于GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)來說，其內(nèi)部各個組成機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)是確定的，因此，該助力公式可以簡化表示為函數(shù)：

TGEP=f(Tp,Tout,N)

對于GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)來說，其內(nèi)部各個組成機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)是確定的，因此，該助力矩公式可以簡化表示為函數(shù)關(guān)系

TGEP=f(Tp,Tout,N)

由此可知，GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)提供的助力矩大小是由GEP泵輸出轉(zhuǎn)矩TP、轉(zhuǎn)向軸輸出轉(zhuǎn)矩Tout和驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速N三個要素決定。GEP泵輸出轉(zhuǎn)矩TP與汽車的轉(zhuǎn)向阻力矩相關(guān)，轉(zhuǎn)向軸輸出轉(zhuǎn)矩Tout與駕駛員施加在方向盤上的力矩相關(guān)。當(dāng)駕駛員施加在方向盤上的力矩與汽車的轉(zhuǎn)向輪阻力矩一定時，GEP泵助力系統(tǒng)提供的助力矩主要取決于驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速N(或電流的大小)。

3 GEP泵助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運行策略

GEP泵根據(jù)內(nèi)部油路安全閥開啟的設(shè)定，正常最大壓力調(diào)定在10 MPa，助力轉(zhuǎn)向油容量設(shè)計為0.85 L。由于系統(tǒng)中裝備了伺服閥，因此，GEP泵提供的流量是可變的，其助力與方向盤力矩的調(diào)節(jié)通過一套電控裝置，根據(jù)車輛行駛速度和方向盤轉(zhuǎn)速兩個信息來控制GEP泵流量[2]10。方向盤轉(zhuǎn)速小時，助力轉(zhuǎn)向油流量的增量小，使轉(zhuǎn)向操縱感覺舒適；當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速大時，助力轉(zhuǎn)向油流量的增量增加，并迅速達到穩(wěn)定的助力。車速小時，助力轉(zhuǎn)向油流量大；車速大時，助力轉(zhuǎn)向油流量小，以獲得路感。GEP泵提供的助力轉(zhuǎn)向油的流量大小為[2]10：

QGEP=QP1+QP2

式中：QP1為考慮方向盤轉(zhuǎn)速時的流量；QP2為考慮車速時的流量。

1)流量QP1隨方向盤的轉(zhuǎn)速變化。出于降噪考慮，在駐車時，不管方向盤速度是多少，GEP的電機轉(zhuǎn)速是恒定的(大約3 000 r/min)，方向盤轉(zhuǎn)速在0～430 (°)/s，流量范圍在0～5.5 L/min。

①方向盤轉(zhuǎn)速小時，助力轉(zhuǎn)向油流量的增量小，使轉(zhuǎn)向舒適性趨于理想。

②方向盤轉(zhuǎn)速大時，助力轉(zhuǎn)向油流量的增量大，并迅速達到穩(wěn)定的助力要求。

2)流量QP2隨行車速度的變化。GEP泵助力轉(zhuǎn)向油的流量隨車速的增加而減小，轉(zhuǎn)向助力變小，手操縱力增加，助力轉(zhuǎn)向油流量QP2隨車速的變化范圍為1.8～4.4 L/min。

3)流量QGEP的變化。GEP泵助力轉(zhuǎn)向油的流量QGEP隨車速和方向盤轉(zhuǎn)速的變化進行實時調(diào)整，流量范圍設(shè)置為1.8～5.6 L/min。

4)溫度升高時的助力降級策略。在GEP泵電腦上設(shè)置工作溫度傳感器，根據(jù)溫度變化，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)，當(dāng)工作溫度達到115 ℃，電腦逐漸限制助力電機的功率，以避免電子元件發(fā)熱使電機或電腦受損，系統(tǒng)冷卻后再恢復(fù)到原來的功率水平。如果溫度達到130 ℃，GEP泵便停止工作。

4 GEP泵助力系統(tǒng)的輸出特性測試

4.1 試驗車輛取樣

根據(jù)現(xiàn)有的試驗條件選擇某一歐系品牌汽車參數(shù)[1]141[6]，如表1所示。該車型配置有GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)。檢測使用X201檢測儀器，利用DIAGBOX軟件處理數(shù)據(jù)。

表1 待驗證車輛主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.2 轉(zhuǎn)向助力性能檢測與分析

1)數(shù)據(jù)流檢測與分析。

將試驗車輛上的通訊接口，連接X201檢測儀器，利用DIAGBOX軟件，動態(tài)參數(shù)選擇助力泵電機轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)速、工作溫度、電機電流、電源電壓、車速、發(fā)動機狀態(tài)、轉(zhuǎn)向狀態(tài)作為比較對象，對試驗車型GEP進行動態(tài)數(shù)據(jù)測試，結(jié)果取樣見表2所示。

表2 車速32 km/h與車速43 km/h時GEP的動態(tài)數(shù)據(jù)

表2中，發(fā)動機中速運轉(zhuǎn)，取樣車速32 km/h與43 km/h兩種轉(zhuǎn)向狀態(tài)，GEP泵溫度從34 ℃升高為35 ℃，GEP電機轉(zhuǎn)速從2 496 r/min增加到2 624 r/min，實際測量的GEP泵電機電流從61.5 A下降到33 A，說明隨著車速的增加助力電流減少，而方向盤轉(zhuǎn)動速度分別為29 (°)/s和100(°)/s，說明方向盤轉(zhuǎn)速隨車速變化而不同，且方向盤轉(zhuǎn)速增加時，GEP電腦判斷快速轉(zhuǎn)向而電機電流并未增大。

2)輸出特性檢測與分析。

選擇電源特性與GEP泵轉(zhuǎn)速特性、方向盤與GEP泵轉(zhuǎn)速特性進行實車測試，結(jié)果取樣如圖3所示。選擇GEP電機電流與方向盤轉(zhuǎn)速變化特性進行檢測，結(jié)果如圖4所示。

(a)GEP電源隨電機轉(zhuǎn)速變化波形

(b)GEP電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速變化波形

圖4 GEP電機電流特性與方向盤轉(zhuǎn)速變化關(guān)系比較圖

圖3(a)中，GEP電源電壓是由發(fā)電機提供的，當(dāng)助力泵的轉(zhuǎn)速增加時，電源電壓由14 V左右下降到12.4 V左右，電源電壓始終處于微小變化狀態(tài)，輸出波形存在干擾，說明信號輸出未屏蔽。圖中可以看到GEP泵的轉(zhuǎn)速波動仍然接近4 000 r/min，按使用技術(shù)說明，不管方向盤速度是多少，GEP的電機轉(zhuǎn)速是恒定的(大約3 000 r/min)，實際輸出數(shù)據(jù)與說明書存在差異。

從圖3(b)可以看到：GEP電機轉(zhuǎn)速隨方向盤轉(zhuǎn)速的變化而變化，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速為零時，GEP電機及油泵的轉(zhuǎn)速保持在1 200 r/min左右穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，此時不對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加任何助力；而方向盤轉(zhuǎn)速在150～380(°)/s時，對應(yīng)的GEP泵相對穩(wěn)定在3 200 r/min左右(此時車速為32 km/h)。

圖4顯示，GEP泵電流大小隨方向盤轉(zhuǎn)速的變化而變化。對于中低速行駛的車輛，方向盤轉(zhuǎn)速為零時，GEP泵電流為零，說明在車輛直線行駛時沒有助力。方向盤轉(zhuǎn)速在150 (°)/s瞬間，GEP泵電流隨方向盤轉(zhuǎn)速的增加而瞬間下降，而在方向盤轉(zhuǎn)速為30～75 (°)/s時，常態(tài)助力電流穩(wěn)定在20～30 A。圖4中右側(cè)為車輛靜止時原地助力曲線，輸出特性呈現(xiàn)快轉(zhuǎn)快助，不轉(zhuǎn)不助的規(guī)律。

5 結(jié)語

以法國PSA的轎車GEP泵隨速可變液壓助力系統(tǒng)為研究對象，選用DIAGBOX應(yīng)用軟件，通過對GEP動態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)波形進行測量和檢驗，揭示了GEP泵的運行策略和邊界條件，同時證明GEP泵技術(shù)的助力特性是以目標(biāo)電流作為控制策略來設(shè)計PID控制器的。鑒于篇幅所限，對ECPB(電控駐車系統(tǒng))反復(fù)駐車引起的溫度變化對GEP泵降級運行策略另行討論。目前，車輛隨速可變液壓助力系統(tǒng)仍然在中高級乘用車領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，未來在較大軸荷乘用車、輕型商用車和重載商用車市場將有較大的應(yīng)用潛力。

[1]神龍汽車培訓(xùn)部.神龍汽車有限公司車型手冊[M].武漢：[s.n.]，2013.

[2]神龍汽車培訓(xùn)部.可變助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)檢修教材[M].武漢：[s.n.]，2012.

[3]機械工程師手冊編輯部.機械工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：37.

[4]張齊.商用車電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014：28.

[5]牛庚森.電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性分析與仿真[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012：13.

[6]張榮貴,許炳照,許紹炎.基于歐V排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機管理技術(shù)[J].常州工學(xué)院學(xué)報，2014，27(2)：4.

責(zé)任編輯：周澤民

GEP Pump with Speed Power Steering System Based on PSA Technology

XU Bingzhao，ZHANG Ronggui

(Department of Auto Application,Fujian CHUANZHENG & Communication College,Fuzhou 350007)

A GEP pump with power steering system based PSA technology was introduced to verify the technical characteristics of electro-hydraulic power steering system.After an analysis of the structure and operation principle of the system,dynamic data and output waveform of the GEP pump was measured with the help of experimental instruments and software.The results show that the control strategy for electro-hydraulic power steering system adopted by foreign designers is concluded,which can provide reference for domestic designers in applying the new technology.

GEP pump;electro-hydraulic control;electric power steering;characteristic analysis

10．3969/j．issn．1671?0436．2016．06．011

2016-10-17

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JAT160716)

許炳照(1964— ),男,副教授。

U461.4

A

1671- 0436(2016)06- 0046- 05